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河床演变基本原理王浩霖 201101021530摘要：河床演变是指自然情况下及修建整治建筑物后河床发生的冲淤变化过程。
广义上是指河流形成和发展的整个历史过程；狭义方面则仅限于近代冲积河床的演变发展。
天然河流总是处在不断发展变化过程之中。
而且天然河流的河床形态复杂，演变规律差异很大。
人类在开发利用河流的过程中，要有效地整治河流，必须充分认识河床演变的基本原理及各类河床特殊的演变规律。
本文着重讨论平原冲积河流的问题，但所阐明的基本原理对具有一定冲积层的山区河流也是适用的。
关键字：河床演变基本原理平原冲积河流河型一、平原冲积河流的一般特性1.河床形态与山区河流不同，平原河流的河床形态是在特定条件下水流与河床相互作用的结果，因而具有较强的规律性。
平原河流在平面上具有顺直、弯曲、分汊、散乱等四种外形。
其横断面可概括为抛物线形、不对称三角形、马鞍形和多汊形等四类。
河漫滩和成型堆积体是河床形态中涉及的两个基本概念。
河漫滩是位于中水河槽两侧，在洪水时能被淹没的高滩。
河漫滩既有由侵蚀作用造成的，如石质河漫滩，多见于山区河流，滩面较窄，且向中水河槽一侧倾斜；更多的是由堆积作用造成的，如冲积河漫滩，多见于平原河流，滩面较宽，左右河漫滩分别向两侧倾斜，这是洪水漫滩落淤的结果。
成型堆积体是冲积河流的河底分布着各种形式的大尺度沙丘（尺度远大于沙坡）的统称。
成型堆积体的尺度，包括宽度、深度和长度，和河流的尺度（河宽和水深），是同数量级的。
成型堆积体经常处于发展变化之中，是平原河流河床演变中最活跃的因素。
2.河道水流的一般特性2.1河道水流的基本性质（1）河道水流的二相流特性。
天然河道的明渠流是挟带着泥沙的水流运动，本质上属于二相流。
（2）河道水流的三维性。
河道水流的过水断面一般是不规则的，因此河道水流为三维流动。
过水断面的宽深比愈小，三维性愈强烈。
（3）河道水流的不恒定性。
一方面，来水来沙情况随时空的变化；另一方面，由于河床经常处于演变之中，因此河道水流的边界也随时空变化。
河床演变：在不恒定的进岀口条件及复杂可动边界的水沙二相流运动的一种体现形式.整治：用工程的手段达到兴利除害.防洪农田水利，水力发电，给水和排水，航运及水产养殖等山区河流河床形态：断面形态：U或V字形（下切），谷坡为阶梯状. 阶地是河流下切的产物.海面湖面侵蚀基准面的下降及气候变迁带来的沙量减少来水量增大，使河流侵蚀作用加强.平面形态：河道曲折多变,沿程宽窄相间，比降大，急滩深潭上下交替，二岸与河心常有巨石突出，岸线和床面极不规则.河流走向由地质构造运动决定.水流及泥沙运动:1河流流态：河床形态不规则. 流态紊乱险恶，常有回流，旋涡，水跌，水跃，急弯，剪刀水，横流•洪水暴涨暴落2洪枯流量相差大3悬移质含沙量视地区而异（岩石风化不严重和植被好的地区含沙量少）4河道的推移质多为卵石及粗沙河床演变：1山区河流比降大流速大含沙量不饱和：利于河床向冲刷方向发展2部分河段暂时性淤积和冲刷1卵石运动引起的演变（汛期淤积增大，枯季冲刷，年内基本平衡）2悬移质运动引起（1 一般为冲泻质2宽谷段由主流摆动出现的回流淤积3宽谷段由下游峡谷壅水引起的淤积）3溪口滩形式岀现的（1大的山区河流，当二岸溪沟发生洪水或泥石流时，常在溪口堆积成溪口滩2冲积物量大粒粗，不易被主流带走，表现为冲冲淤淤）4地震山崩滑坡引起（大规模地地震山崩滑坡引起河道堵塞，引起上下游岀现壅水和跌水，剧烈改变水流和河床形态）开发与利用1开发旅游2能源宝库3航运具潜力平原河流概述：平原河流流经地势平坦，土质疏松的平原地区.形成过程主要表现为水流的堆积作用河床形态：平原河流在平面上具有，顺直，分汊，弯曲，散乱四种.横断面分抛物线形，不对称三角形,马鞍形，多汊形.河漫滩是位于中水河槽两侧，在洪水时能被淹没的高滩.由堆积作用造成的平原河漫滩.成型堆积体：冲积河流的河底有规律地分布着各种形式的大尺度沙丘，统称〜主要5种:1边滩2浅滩3 沙咀4江心滩5江心洲枯水期边滩有漂亮心型沙洲岀露--浅滩--支流河口三角洲--江心滩/水流及泥沙运动:平原河流集水面积大，流经土壤疏松，坡度平缓地带，汇流时间长，且降雨分配不均，支流入汇有先后，故洪水没有陡涨陡落的现象，持续时间较长/平原河流水沙运动的基本模型是滩槽水沙交换•两种情况:1 河漫滩和中水河槽平行2具有弯曲外形的中水河槽位于顺直或微弯的洪水河槽之中河漫滩和中水河槽平行/河床的演变：体现在河槽中成型堆积体的发展变化上.规律是汛期淤积壮大，枯季冲刷萎缩冲积河流类型：平面形式--演变规律：顺直型--边滩平移型，弯曲型--蜿蜒型，分汊型--交替消长型，散乱型--游荡型.//河床演变分类：1时间特征：长期，短期.2空间特征：大范围，局部.3演变形式：纵向，横向.4方向性特征：单向，复归性.5引起演变的外力：自然，人工干扰.//影响因素：1进口条件（上游来水条件，上游来沙条件）2岀口条件（侵蚀基点条件：河面、湖面、海面等）3河床周边条件：（地理、地质条件: 河流比降、宽度,河底、河岸的组成）河床演变的根本原因：输沙平衡的破坏.G o G i：岀入区域的输沙率，B、L:区域的宽度和长度匚y°：时段.It内的河床冲淤厚度（淤+ ,冲—”'淤积物的干密度/河流自动调整作用：当外部条件变化引起输沙平衡的破坏，河流进行自动调整以达到新的输沙平衡.特征1平衡趋向性2调整多样性3 反应的整体性4河床变形滞后性 5 能耗最小河流水力几何形态：能够自由发展的冲积平原河流的河床，在挟沙水流长期作用下，有可能形成与所在河段具体条件相适应的某种均衡状态.与河床的稳定性、特征流量密切相关.河床稳定指标：研究冲积河流的河床演变特性时，引入一特征参数之一河床稳定指标：纵向，横向，综合/纵向稳定系数：河床在纵深方向的稳定性主要决定于泥沙抗拒水流运动的摩阻力与水流作用于泥沙的拖曳力的对比.洛赫庆系数-h1愈大，河床愈稳定/横向稳定系数：横向稳定与河岸稳定密切相关,决定河岸稳定的因素是主流顶冲地点及走向，河岸土壤抗冲能力./ 造床流量：造床作用与多年流量过程的综合造床作用相当的流量.马卡维也夫法：相应于最大峰值的流量值约相当于多年平均最大洪水流量,其水位约于河漫滩齐平，此流量为第一造床流量.决定中水河槽流量，通常所说的造床流量为二/相应次大峰值的流量略大于多年平均流量，其水位约与边滩高程相当，此为第二造床流量，仅对枯水河槽有作用. 平滩水位法在河段内取若干个有代表性的断面，取平滩水位时平均流量作为造床流量/造床流量保证率不同国家相差很大/河相关系：自由发展的冲积平原河流河床在水流长期作用下形成与所在河段条件相适应的均衡水力几何形态，在这种均衡形态的有关因素和表达来水来沙条件及河床地质条件的特征物理量之间存在的函数关系称为河相关系或均衡关系//沿程河相关系：相对某一特征流量的河相关系.适用一个河段不同断面，同一河流不同河段，甚至不同河流/断面河相关系：同一断面相应于不同流量的河相关系/早期河相关系是经验性质的.选比较稳定或冲淤幅度不大，年内输沙率接近平衡的可自由发展的人工渠道和天然河道进行观测，在形态因素与水力泥沙因素之间建立经验关系/近代量纲分析法，联解公式，量纲分析/匚河相系数，河型有关.B0.5/h=C 反映天然河流随河道尺度或流量的增大,河宽增加远较河深增加为快的一般性规律/河流纵剖面：也属于一种河相关系，分为河床纵剖面和水流纵剖面/河道整治是在总体规划的基础上，通过修建整治建筑物或采用其他整治手段，调整水流结构及局部河床形态，使河床向着有利的方向发展/河道整治规划1洪水整治规划2中水整治规划（河势规划）3枯水整治规划/河势指一条河流或一个河段的基本流势，也称基本流路.河势规划遵循因势利导综合整理的原则/堤防工程：包括规划. 设计.施工.防汛抢险和岁修管理等.. 规划与设计包括1堤线选择2堤顶高程和堤防间距3堤身横断面（一般设计为梯形.主要设计参数是堤身稳定性、堤顶宽度及临、背水边坡系数”护岸工程1下层工事（枯水位以下,包括护底护脚，总称护脚）2中层工事（两者之间，块石护坡可分为抛石和砌石两种）3上层工事（洪水位加波浪爬高和安全超高以上，平整岸坡，栽种树木，修建集水沟”枯水河床整治：在碍航浅滩上修建整治建筑物，以改善通航条件/通航保证率:在规定的航道水深下一年内能够通航的天数与全年天数之比，常用百分率表示/航道尺度：1航道最小水深2航道宽度3航道曲率半径14流速及流态5过河设施/设计水位：根据通航标准达到航道尺度的起算水位1算术平均2保证率法3保证率频率法/整治水位：与整治建筑物头部高程齐平时水位1经验数据法：由边滩高程确定2造床流量法：第二造床流量相应水位//整治手段：枯水河床整治是要解决枯水期碍航问题，整治手段与浅滩整治相同1修建枯水整治建筑物：丁坝（长丁坝束狭河槽改变主流位置，短丁坝迎托水流外移）顺坝（束狭河槽导引水流，调整河岸）锁坝（塞支强干）导流建筑物（激起人工环流）2采用疏浚或爆破工程：山区石质河流.爆破工程多用于山区河流质河床的疏浚/顺直型河段/ 几何形态：从平面看，这种河段比较顺直，河槽两侧分布的犬牙交错的边滩和深槽或上下深槽之间存在的较短的过渡段，常称浅滩/主要判断指标是曲折系数：顺直型河段一般小于1.2（蜿蜒型河段曲折系数更大）边滩长宽比为5./曲折系数：自上游过渡段中点起沿河道中心线至最后一个过渡段中点止的曲线长度与起点至终点的直线长度之比/水流：造床流量下，边滩头部水位沿程降低，滩尾水位略有升高，深水部分相反. 低水位浅滩段水深小比降陡流速大，深槽段水深大比降缓流速小.流量增加时，浅滩段比降减小，深槽段比降增大/输沙:横向分布看，边滩的推移质输沙率远大于深槽.纵向分布，边滩中部输沙率大于滩头和滩尾的.深槽相反，中部输沙率小于深槽头部和尾部的，此规律与流速场相应// 边滩长度定量b=0.57B,l=2.8B/流量变化浅滩影响：1洪水期浅滩淤积深槽冲刷2枯水期浅滩冲刷深槽淤积3推移质和悬移质中的床沙质参加造床运动/演变规律：通过推移质运动使边滩深槽浅滩作为一个整体下移/不利结果：1边滩下移使河道不稳定2航运困难3港口淤积4取水困难/整治原则固定边滩使其不向下游移动，稳定整个顺直型河段.措施修建上挑式淹没丁坝群/蜿蜒型河段/几何形态：由一系列正反相间的弯道和介乎其间的过渡段衔接而成横断面：弯道段呈不对称三角形，凹岸坡陡水深，凸岸坡缓水浅.过渡段呈对称的抛物线形或梯形/水流：横比降导致凹岸凸岸纵比降不同，形成横向环流，环流的方向，上部恒指向凹岸，下部恒指向凸岸/横向环流:是否产生环流：水流是否弯曲来确定.横向环流：上部恒指向凹岸，下部恒指向凸岸./输沙:横向环流存在，决定泥沙运动特点1洪水期弯道段水流挟沙力大于过渡段，枯水期弯道段水流挟沙力小于过渡段2洪水期槽冲滩淤，枯水期槽淤滩冲3床沙:异岸输移同岸输移，聚散现象/演变：2种/一般：曲折程度加剧，河长增加，曲折系数增大.横断面变形表现为凹岸崩退凸岸淤长.两岸冲淤面积接近相等，断面形态不变，断面接近平衡/突变1自然裁弯：河段发展由于某些原因使同一岸两个弯道弯顶崩退，形成急剧河环和狭颈.狭颈的起止点相距很近，水位差较大，如遇水流漫滩，在比降陡流速大时可将狭颈冲开，分泄部分水流形成新河2撇弯：曲率半径很小的急弯，凹岸淤积3切滩:凸岸边滩较低，抗冲能力低/形成条件：1从能量观点解释:要求河流比降小流速小2认为顺直水流的不稳定性是形成蜿蜒型河段的原因/裁弯工程规划设计：引河线路与引河平均形式（根据地质，引河平面形态，与上下游河段的衔接统筹考虑.引河长度以裁弯比为控制标准.断面为梯形）/引河断面可设计成最终过水断面的1/5〜1/15/分汊型河段/1平面形态：上端放宽，下端收缩中间最宽2横断面：分流区汇流区均呈马鞍形，分汊段为江心洲分隔复式断面3纵剖面：两端低中间高上凸形态，呈起伏相间形态/演变规律:汊道演变特点：主支汊易位（上游水流动力轴线摆动，引起分流分沙变化”整治措施1分汊河段固定：在上游节点，汊道入口及江心洲首尾修建整治建筑物2改善汊道（调整水流调整河床）3堵汊工程：塞支强干，修挑水坝锁坝/水流/分流区高水下移低水上提.水位:支汊高于主汊/汇流区水位:支汊高于主汊/输沙：分流区两侧含沙量大中间较低.汇流区两侧含沙量小中间大，底部含沙量更大/游荡型河段/形态特征：河身顺直,曲折系数小于1.3.较长范围内往往宽窄相间.河段内河床宽浅，洲滩密布，汊道交织/水流：河床宽浅，平均水深小，流速大.洪水暴涨暴落.年内流量变幅大/输沙:含沙量大，同流量下含沙量变化大，流量与含沙量关系不明显/演变规律1多年平均河床逐年抬高2年内冲淤变化是汛期主槽冲刷滩地淤积.非汛期主槽淤积滩地冲刷3平面变化规律：主流摆动剧烈，主槽位置摆动，摆动幅度大，河势变化迅速/形成原因：流量一定时比降陡流速大.组成河槽物质为颗粒细的散粒泥沙，在较强水流作用下易冲易淤.来水量小来沙量大河床比降大/整治措施：综合治理.水土保持修建水库发展灌溉和河床整治/浅滩特征类型：处于两反向弯道间的沙梗即常见浅滩.五部分：上边滩. 下边滩.上深槽.下深槽.浅滩脊.类型1正常2交错3复式4散乱/演变因素:1流速减小2环流变化3洪枯水流向不一致4输沙不平衡//规律：有纵向变形横向变形，单向变形与复归变形，主要为复归.即随河道水文过程而呈周期性变化，浅滩与淤积周期性交替.整治：修建整治建筑物和浅滩疏浚（维护性.基建性”挖槽水力计算:1设计挖槽横断面2确定挖槽方向角9.3估算水位降落.。
《水力学与桥涵水文》（ A ）复习题一、名词解释（每小题3分，共计15分。
）1、连续介质：对于液体的宏观运动而言，可以把液体视为由无数质点组成、没有空隙的连续体，并认为液体各物理量变化也是连续的，这种假设的连续体称为连续介质。
2、渐变流与急变流：当流场中的流线虽然不是相互平行的直线，但几乎近似于平行直线的流动，称为渐变流。
它是一种近似的均匀流。
若水流的流线之间夹角很大或流线弯曲较大，这种水流称为急变流。
3、累积频率及重现期：水文统计中，等于或大于某一随机变量值出现的次数与总次数的比值，称为该随机变量的累积频率。
等于或大于某一随机变量值在多年观测中平均多少年或多少次可能再现的时距，称为重现期。
h三者全部4、河槽最低冲刷线：桥梁墩台处桥下河床自然演变等因素冲刷深度△h，一般冲刷深度h p及局部冲刷深度b完成后的最大水深线，称为桥下河槽最低冲刷线。
5、水力最优断面：是指当渠道过水断面面积A、粗糙系数n及渠道底坡i一定时，渠道通过最大流量的断面形状。
二、填空题（每小题1分，共计25分。
）1、径流形成过程一般分为降雨、流域蓄渗、坡面漫流、河槽集流四个阶段。
2、河流的基本特征，一般用河流长度、弯曲系数、横断面积及纵向比降等表示。
3、作用于静止液体表面上的力有压力，质量力有重力。
4、静水压强有绝对压强、相对压强和真空值三种表示方法。
三、判断题（每小题1分，共计10分。
）（正确的在括号填“√”，错误的填“×”）1、恒定流一定是均匀流，层流也一定是均匀流。
（×）2、紊流光滑区的沿程水头损失系数仅与雷诺数有关。
(√)3、河床比降大，流速大，易于淤积，反之冲刷。
(×)4、满宁公式只能适用于紊流阻力平方区。
(√)5、当明渠均匀流水深大于临界水深，该水流一定是急流。
(×)6、墩台局部冲刷深度与冲向墩台的水流行进流速有关。
(√)7、梁式桥的标准跨径是指两桥墩之间桥中心线长度。
(×)8、恒定总流能量方程只适用于整个水流都是渐变流的情况。
河床演变名词解释
河床演变是河流开发过程中发生的连续性变化过程。
它是地貌学和同位素地球化学等学科之间的一个重要接口，它使有机沉积和无机沉积的当量相结合，为形成新的河流沿岸代表和最终湖泊而介入。
河床演变包括以下几个方面：
一、泥沙累积
泥沙累积是河流过程中最基础也是最重要的一个组成部分。
河床物质会在洪水洪侵下被沿河输送和大量累积在河床上。
二、河床腐蚀
河床腐蚀，也称河床侵蚀，通常指的是由洪水通过冲刷和冲积作用，使河段变得更深、更陡，从而改变了原来的河床形态。
三、流通床抬升
流通床抬升是指由潮汐动力或气候变化引起的水位升高，使河床灌溉水淹没而产生的抬升作用。
四、代向床抬升
代向床抬升是指水流伴随沉积物被累积到河床上，从而使河床升高而发生的抬升作用。
五、地形抬升
地形抬升是指随着构造活动造成地形变化，导致山脉变高，从而导致河床抬升而发生的作用。
六、河流分支
河流分支是指河流在河流淤积变化下，由于水流路线被阻挡，新的支流形成的现象，从而改变了河流的分要结构。
七、河口展开
河口展开是河口在河道演变过程中，河口处的河流广度和深度发生对比，导致河口往海洋方向展开，使得河口的宽度和海岸功能越来越重要的演变现象。
水力学基本知识一、单项选择题1.单位体积的物体所含有的质量称为密度，密度的国际单位是（）（A）kg/m3（B）g/ m3（C）N／m3（D）kN/ m32.单位体积的物体所具有的重量称为容重，容重的单位为（）。
(A)kg/ m3 (B)N／m3或kN／m3（C）t/ m3（D）g/ m33.黏滞力的存在可使水流的流速分布（）(A)均匀 (B)处处相等（C）不均匀 (D)处处相同4.液体静止时不能承受拉力和剪切力，但却能承受（）。
(A)压力 (B)水平力（C）垂直力（D）作用力5.水在静止状态下对固体边壁的压力称为（）。
（A）静水压力（B）动水压力（C）水重（D）作用力6.静水压力的大小与受压面在水中的深度和受压面积的大小（）(A)成反比 (B)成正比（C）成比例（D）无关7.单位面积上的静水压力称为（）。
(A)静水压强 (B)静水压力（C）动水压力（D）动水压强8．静水压强的单位是（）。
(A)t /m3 (B) kg /m3（C）g/m3（D）N／㎡或kN／㎡9.流速是指液体质点在单位时间内运动的距离，流速的单位为（）（A）kg/m3（B）N／㎡（C）m/s （D）m/s210.流量是指单位时间内通过河道某一过水断面的液体（）(A)体积 (B)重量（C）质量（D）面积11.一般所说的流速是指同一断面上的（）(A)平均流速 (B)最小流速（C）水面流速（D）最大流速12.江河渠道中不同过水断面及同一过水断面上不同点的流速往往是（）。
（A）不同的（B）相同的（C）没有关系的（D）不能确定13.若在任意固定空间点上，水流的所有运动要素都不随（）变化，称为恒定流。
(A)时间 (B)空间 (C)位置 (D)方向14.运动要素不随（）变化的水流称为均匀流。
(A)时间 (B)流程 (C)横向 (D)水深方向15.明渠均匀流的特征不包括（）。
(A)过水断面的形状、尺寸和水深沿程不变 (B)流速分布沿程变化(C)断面平均流速沿程不变 (D)总水头线、水面线和渠底线相互平行16.产生明渠均匀流的条件包括：水流（），渠道必须是长而直、底坡不变的正坡渠道，过水断面的形状、尺寸、粗糙程度沿程不变，不存在阻水建筑物和干扰。
